CN105349861B - 一种可快速轧制成形的镁金属板材及其轧制方法 - Google Patents

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Abstract

一种可快速轧制成形的镁金属板材及其轧制方法，属金属材料制造技术。选择Zn、Er作为主要合金化元素，其添加量分别为0～5.0wt.％Zn，0～1.0wt.％Er，Zn与Er质量百分比之和不低于0.5％且不高过5.0％，其余量为Mg。高温轧制温度区间为350～500℃，每道次变形量在25～35％；低温轧制温度区间为250～350℃，不包含350℃，每道次变形量在10～25％，高温轧制和低温轧制累计变形量不小于80％。板材表面及边缘光滑，无开裂，为一种可快速轧制形板材的金属材料。

Description

一种可快速轧制成形的镁金属板材及其轧制方法
技术领域
本发明涉及镁合金合金板材轧制成形工艺，属金属材料制造技术，具体为一种镁金属板材的成形方法。
背景技术
镁合金作为一种新型轻金属应用材料，具有比强度高、比重小、高阻尼、高导热以及减震性好、易于回收等优点。因此，近年来镁合金在航空航天、汽车、3C产品等方面得到了广泛地应用，被业内公认为最有前途的轻量化金属材料。然而，镁为密排立方结构，其在温度较低的情况下加工性能不佳，这对其板材制备造成了很大困难。但是作为金属材料出成形产品中一种非常重要的金属加工产品，板材是一种中间产品的重要供应品，它的应用可大大简化镁金属材料深加工中的工艺流程，简化复杂工艺，从而降低生成成本，扩大应用范围。
一种合金的塑性加工能力的好坏与合金成分密切相关。根据合金成分对合金塑性加工能力的影响，将合金分为铸造、挤压、轧制及锻造镁合金产品。虽然挤压、轧制及锻造均为镁金属的变形加工工艺，但其加工变形机理有较大不同。有的合金只可挤压加工，有的合金不可轧制加工，如常见的AZ31合金为一种常见的挤压用合金成分，ZK60为一种常见的挤压合金成分。国内常见的挤压镁合金主要为MB1、MB5等，能够用于板材轧制加工的合金主要为MB3、MB8及MB22等。总体来讲，牌号变形镁金属材料的种类较少，而板材变形镁金属材料则更少。从材料设计方面考虑，合金中粗大第二相的含量越少越利于镁金属板材的加工，否则导致合金在轧制过程中的开裂。
Zn是一种常见的合金化元素，它可显著改善合金的流动性和强度。目前关于含有Zn的镁金属种类较多，目前过多地集中在Mg-Zn-RE(Zr)、Mg-RE-Zn(Zr)合金体系中,RE为稀土元素简称。如目前研究较多的Mg-Zn-Y或者Mg-Y-Zn等合金，该类合金中含有I(准晶)-相或W-相或LPSO(长周期层错堆积)-相等三类较为突出的相。这类初生第二相最大特点就是尺寸过于粗大，分布不均匀，且不易热处理，这直接导致合金轧制加工中的开裂失效，针对此种特点该类合金的挤压产品较多，这限制了其在汽车、航空航天等方面的商业化应用。
因此，获得可轧制加工的合金成分至关重要。目前作为一种有效的可用于轧制成形的镁金属成分。现有的含Zn合金除了含有上述三种粗大不易消溶的三元相外，另一个特点就是Zn、RE(稀土)含量高，Zn含量高导致合金加工中热裂，RE含量高导致合金成本过高。选择合理的合金成分，即避免合金因合金化成分较低导致性能偏低，又避免合金因Zn含量较高而加工性能偏差。因此选择Zn及RE的添加量，是开发一种可轧制加工成形镁金属的关键。而且，Mg-Zn-RE镁合金的轧制温度区间小，较难控制，合格成品率降低，因此研究获得Mg-Zn-RE镁合金的轧制条件显得至关重要。
鉴于镁金属晶体结构特点，因此采用低温、高速率、高单道次变形量的快速轧制工艺很难获得高质量的镁金属板材。所以，在镁金属板材生产制备方面主要采用高温条件下热轧处理，一般热轧温度较高为350～500℃，单道次变形量较小为5～10％，这中加工条件导致镁金属的加工效率较低，无法达到快速加工成形的目的，因此亟待开发一种可快速轧制成形的镁金属轧制工艺。
另外，由于镁金属的密排六方结构，在加工过程中还有宽幅薄板材加工困难的问题。因此，在轧制过程中，除了考虑轧制温度、速率及单道次变形量等外，还要配合轧制过程中的在线热处理问题，也就是利用热处理技术提高金属的加工塑性，获得晶粒细小、组织均匀、各向异性明显的板材预处理品，因此综合考虑样品的加工要求和尺寸规格，轧制过程中对样品的在线热处理显得尤为重要。然而，目前镁金属轧制工艺中几乎没有涉及到这方面的内容。
本发明中涉及到一种新可快速轧制成形Mg-Zn-Er合金板材及其制备方法，其组成及质量百分比为0～5.0wt.％Zn，0～1.0wt.％Er，Zn与Er质量百分比之和不低于0.5％且不高过5.0％，其余量为Mg。该合金成分明显区别于当前报道的含有I相、W相的Mg-Zn-RE(RE＝Y，Er，Gd等稀土元素)合金，稀土的添加量较少，集中在微合金化的范畴里，且Zn及RE的总体添加量有一定的限制，即不高于5.0％。结合特定的轧制工艺，在本专利中阐述为一种新型的轧制工艺，其主要特点为高低温结合的分段轧制，即高温高变形量轧制阶段，低温中变形量轧制阶段，高低温度的分界点为合金的动态再结晶温度线±25℃。变形温度区间分为高温、低温区，高温区高变形量，低温区较低变形量，轧制速率较高，集中在1.0～2.5m/s，并在在轧制过程中采用多向轧制技术。本专利中涉及到的这种合金及其轧制技术是不同于以往的镁金属及其板材制备技术，其可在快速制备工艺下获得表面光滑、厚度较薄且无裂变开裂的优质镁金属板材。
发明内容
本发明中涉及到一种新的合金及其制备方法，提供了一种可快速轧制成板材的镁金属材料。发明中的Mg-Zn-Er合金，其合金化成分范围较低，且不含有Zr等较贵金属，是一种价格低廉又可快速轧制板材的镁金属材料。突破了当前镁金属塑性不足，使得镁金属板材加工制备、成形困难，是一种具备应用前景的镁金属板材材料。
合金成分：
为了获得该超塑性能力较好的Mg-Zn-Er合金，本发明采用了以下成分：选择Zn、Er作为主要合金化元素，其添加量分别为0～5.0wt.％Zn，0～1.0wt.％Er，Zn与Er质量百分比之和不低于0.5％且不高过5.0％，其余量为Mg，优选Zn、Er的含量均不为0。采用普通熔炼获得该铸造合金。
轧制工艺：
将制备的合金铸坯进行热处理，热处理温度为400℃，保温时间为10h，并放于70℃温水中淬火。然后进行分段轧制，至少包含依次高温轧制和低温轧制，高温轧制温度区间为350～500℃，每道次变形量在25～35％，低温轧制温度区间为250～350℃(不包含350℃)，每道次变形量在10～25％，高温轧制和低温轧制累计变形量不小于80％。
高温轧制和低温轧制的轧制速率控制在1.0～2.5m/s，在整个的分段轧制过程采用多向轧制方法，即以法线为轴分别旋转0°，45°及90°进行轧制。最后获得的板材厚度为1.0～2.0mm，表面及边缘光滑，无开裂。
进一步上述在轧制过程中，两相邻道次变形轧制过程的温度大于等于45℃时，在进行第二道次变形轧制前进行保温处理，保温温度为第二道次变形轧制的温度，保温时间为15-30min；进一步优选在两相邻道次变形轧制过程的温度大于等于100℃，且第一次变形轧制温度高于第二次变形轧制温度时，在进行第二道次变形轧制前进行两次保温处理，第二次保温处理的温度为第二道次变形轧制的温度，第一次的保温温度介于对应两道次变形轧制温度之间的某温度；两次保温时间分别为15-30min。
本发明的实质性特点及显著进步：
1)发明了一种可快速轧制成形的镁金属材料，总变形量可达80％以上，轧制速率最大可达2.5m/s，单道次最大变形量可达35％，其成形能力优于目前常见的Mg-Zn-RE系合金。
2)本发明采用了一种新型的轧制技术，称该技术为分段轧制，即高温高变形量轧制阶段，低温中变形量轧制阶段，高低温度的分界点为合金的动态再结晶温度线±25℃。其明显的特征在于高温轧制温度区间为350～500℃，每道次变形量在25～35％区间内，低温轧制温度区间为250～350℃(不包含350℃)，每道次变形量在10～25％区间内。
3)本发明中的轧制技术除了高低温分段轧制外，还采用了多向轧制，以法线为轴，分别旋转样品0°，45°及90°后进行轧制。
4)新型超塑性轻质镁合金材料，其显著区别于常规Mg-Zn-RE合金。
5)该合金的制备、加工方法简单，成形能力强，变形速度快，不需要特殊设备即可获得表面光滑的镁金属板材。
附图说明书
图1实施例1中镁金属板材；
图2实施例2中镁金属板材；
图3实施例3中镁金属板材。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
将由普通铸造获得的Mg-0.5Zn-0.5Er合金固溶处理，而后进行切削割铣获得轧制毛坯，并将该毛坯放置于保温炉中进行处理，保温炉温度为400℃。设定轧制速率为2.0m/s。首先，轧制温度为400℃，第1道次变形量为30％，而后紧接着进行第2道次轧制，这次变形量为25％，以上轧制方向为0°；而后将该合金放置于345℃保温炉中进行保温，保温时间为15min,而后将该合金低温阶段轧制，轧制温度为345℃，单道次变形量为10％，轧制方向为90°，共计轧制2道次；而后将该合金放置于保温炉中进行保温，保温温度为300℃，保温时间为30min，将保温好的合金继续在低温阶段轧制，轧制温度为300℃，单道次变形量为15％，轧制方向为45°，共计轧制2道次。随后，将合金放置于保温炉中保温，保温温度为425℃，单道次变形量为25％，轧制方向为0°，共计轧制2道次。而后将温度降至300℃，保温15min，继续轧制，单道次变形量为15％，轧制方向为0°，共计轧制1道次，获得厚度约为1.2mm厚度板材，变形量累计为85％，所得板材如附图1所示。
实施例2
将由普通铸造获得的Mg-1.0Zn-0.5Er合金固溶处理，而后进行切削割铣获得轧制毛坯，并将该毛坯放置于保温炉中进行处理，保温炉温度为450℃。设定轧制速率为2.5m/s。首先，轧制温度为450℃，每道次变形量为25％，以上轧制方向为0°，轧制1道次；而后降低轧制温度至400℃，样品在该温度下保温15min，每道次变形量为30％，以上轧制方向为90°，轧制1道次；而后进行低温阶段轧制，轧制温度设定为300℃，而后将该合金放置于保温炉中进行保温，保温温度为300℃，保温时间为30min，将保温好的合金继续在低温阶段轧制，轧制温度为300℃，单道次变形量为15％，轧制方向为45°，共计轧制1道次；而后将温度升至475℃，保温15min，继续轧制，单道次变形量为25％，轧制方向为0°，共计轧制4道次，获得厚度约为1.1mm厚度板材，变形量累计约为86％，所得板材如附图2所示。
实施例3
将由普通铸造获得的Mg-1.5Zn-1.0Er合金固溶处理，而后进行切削割铣获得轧制毛坯，并将该毛坯放置于保温炉中进行处理，保温炉温度为400℃。设定轧制速率为2.5m/s。轧制温度为400℃，道次变形量为35％，道次为1道次，轧制方向为0°；而后将该合金放置于475℃保温炉中进行保温，保温时间为15min,而后将该合金低温阶段轧制，轧制温度为475℃，单道次变形量为25％，轧制方向为90°，共计轧制1道次；而后将该合金放置于保温炉中进行保温，保温温度为350℃，保温时间为30min。而后将炉温降至250℃，保温15min，将保温好的合金继续在低温阶段轧制，轧制温度为250℃，单道次变形量为15％，轧制方向为45°，共计轧制2道次。随后，将合金放置于保温炉中保温，保温温度为500℃，轧制温度为500℃，单道次变形量为25％，轧制方向为0°，共计轧制3道次，获得厚度约为1.2mm厚度板材，变形量累计为约85％，所得板材如附图3所示。
实施例4
将由普通铸造获得的Mg-3Zn-0.75Er合金固溶处理，而后进行切削割铣获得轧制毛坯，并将该毛坯放置于保温炉中进行处理，保温炉温度为375℃。设定轧制速率为1.5m/s。轧制温度为375℃，道次变形量为30％，道次为1道次，轧制方向为0°；而后将该合金放置于450℃保温炉中进行保温，保温时间为15min,而后将该合金低温阶段轧制，轧制温度为450℃，单道次变形量为30％，轧制方向为45°，共计轧制1道次；而后将该合金放置于保温炉中进行保温，保温温度为400℃，保温时间为20min。而后将炉温降至350℃，保温15min，将保温好的合金进行轧制，轧制温度为350℃，单道次变形量为25％，轧制方向为90°，共计轧制1道次。随后，将合金放置于保温炉中保温，保温温度为300℃，轧制温度为300℃，单道次变形量为10％，轧制方向为0°，共计轧制10道次，获得厚度为1.0mm厚度板材，变形量累计为约为88％。
实施例5
将由普通铸造获得的Mg-4Zn-1.0Er合金固溶处理，而后进行切削割铣获得轧制毛坯，并将该毛坯放置于保温炉中进行处理，保温炉温度为500℃。设定轧制速率为1.5m/s。轧制温度为400℃，道次变形量为35％，道次为1道次，轧制方向为0°；而后将该合金放置于450℃保温炉中进行保温，保温时间为15min,而后将该合金低温阶段轧制，轧制温度为450℃，单道次变形量为25％，轧制方向为45°，共计轧制1道次；而后将该合金放置于保温炉中进行保温，保温温度为350℃，保温时间为30min。而后将炉温降至300℃，保温15min，将保温好的合金继续在低温阶段轧制，轧制温度为300℃，单道次变形量为10％，轧制方向为90°，共计轧制3道次。随后，将合金放置于保温炉中保温，保温温度为450℃，单道次变形量为25％，轧制温度为450℃，轧制方向为0°，共计轧制2道次，获得厚度为1.6mm厚度板材，变形量累计为80％。

Claims (7)

1.一种可快速轧制成形的镁金属板材的轧制方法，镁金属板材，选择Zn、Er作为主要合金化元素，其添加量分别为0～5.0wt.％Zn，0～1.0wt.％Er，Zn与Er质量百分比之和不低于0.5％且不高过5.0％，其余量为Mg；其特征在于，进行分段轧制，至少包含依次高温轧制和低温轧制，高温轧制温度区间为350～500℃，每道次变形量在25～35％；低温轧制温度区间为250～350℃，不包含350℃，每道次变形量在10～25％，高温轧制和低温轧制累计变形量不小于80％；在整个的分段轧制过程采用多向轧制方法，即以法线为轴分别旋转0°，45°及90°进行轧制。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，高温轧制和低温轧制的轧制速率控制在1.0～2.5m/s。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，Zn、Er的含量均不为0。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，在轧制过程中，两相邻道次变形轧制过程的温度差大于等于45℃时，在进行第二道次变形轧制前进行保温处理，保温温度为第二道次变形轧制的温度，保温时间为15-30min。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，在两相邻道次变形轧制过程的温度差大于等于100℃，且第一次变形轧制温度高于第二次变形轧制温度时，在进行第二道次变形轧制前进行两次保温处理，第二次保温处理的温度为第二道次变形轧制的温度，第一次的保温温度介于对应两道次变形轧制温度之间的某温度；两次保温时间分别为15-30min。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，在分段轧制之前，将合金铸坯进行热处理，热处理温度为400℃，保温时间为10h，并放于70℃温水中淬火。
7.按照权利要求1的方法，其特征在于，最后获得的板材厚度为1.0～2.0mm。
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